隨著微納技術和生命科學的發展，面向組織工程與再生醫學的微納生物制造技術引起國際社會高度關注，也引得無數科研工作者探索其深層奧義。但是，對于其所蘊含的基礎規律、控制方法及相關工程技術，尤其是國際上常用的微型化細胞原位培養與監測設備存在的不足一直是行業難以破解的難題。

河海大學機電工程學院副教授、碩士生導師朱曉璐提出一系列創新科技，探索了干細胞3D自組裝以及水凝膠材料內部3D微納結構對干細胞的力學和生物學行為的作用規律；創新提出了關于微型化活細胞工作站儀器的關鍵技術，形成了微型化細胞培養設備的產業化應用。

本源創新 科技成果新發現

微納生物制造技術是醫工交叉領域中的一個重要研究方向。多年來，朱曉璐一直從事微納生物制造等領域研究工作。從事如此專業性極強的工作，與朱曉璐的專業素養密不可分。他于2007年和2014年獲東南大學學士學位和博士學位，并于2011年9月至2013年12月在美國加州大學洛杉磯分校機械與航空工程系、化學與分子生物學系做訪問研究（公派）。

“對因疾病或外傷導致的組織器官的損傷進行修復、組織和器官微結構形成的關鍵科學因素確定、以及干細胞力學及生物學特性的形成機制和控制技術等，這些都是微納生物制造技術的研究目標。”朱曉璐解釋道。

“在自然界中，從受精卵的增殖到組織器官的形成，都涉及細胞的自組織過程，而細胞在3D自組織過程中離不開各類精細的細胞外基質環境。水凝膠材料是一種合適的細胞外基質材料，這也引起多學科領域的廣泛關注。”朱曉璐坦言：“對于新型細胞外基質材料作用規律的發現，以及人工基質材料的穩定且高度可重復制備技術的研發，是擺在科研人員面前的重大課題。”

朱曉璐在所主持的國家自然科學基金面上項目和青年項目、江蘇省自然科學基金項目等的執行過程中，通過設計制備特定的水凝膠基質材料，實現了組織微結構的動態自組織成型過程的調控；提出采用納米聚簇交聯法設計制備水凝膠，發現了聚簇交聯水凝膠對干細胞力學特性的影響作用和規律，并證實了其理性調控能力，這對于研究細胞與外基質之間力學作用，以及干細胞治療過程中微循環改善等提供了新的技術路徑。此外，定量設計的聚簇交聯水凝膠由于其微觀非勻質特性，可以支持更高的細胞遷移速度，增強遷移的有效支持時間段取決于合理和精心調節的微觀剛度分布，且此研究支持在生物材料領域廣泛適用的異質交聯水凝膠中細胞遷移速度的合理控制。相關的成果發表于Biofabrication， Advanced Materials Interfaces， Journal of Biological Engineering等本領域專業期刊及國際專著等。

“這些重要研究結果的發現，在醫工交叉研究方向上啟發了自己的研究興趣并打下后續研究的基礎。這段經歷也使得我開始學會如何從本源問題上去創新，從而不斷的走出之前的固有思維框架；同時也盡力克服各方面困難，以己有限之力探求領域內研究進步。”面對成果，朱曉璐謙虛道。

走過艱辛探索之路，朱曉璐在學術等方面做出了卓著貢獻。在本領域國際專業期刊、中國科學E輯， 微納電子技術等及重要學術會議上已發表論文30多篇，授權發明專利31項，公開8項，主著國外學術專著1部，參編國外科技專著1部。2022年被授予國際科學組織Vebleo協會會士。2017年入選河海大學“大禹學者”計劃（第四層次）；2018年入選江蘇省科協青年科技人才托舉工程。

技術革新 實現微型化活細胞工作站產業化

“細胞培養設備在生物醫學及相關交叉技術領域有著廣泛的應用，主要表現為常規培養箱、載物臺培養器、籠式載物臺培養箱、以及活細胞工作站等形式。”朱曉璐同時表示：“目前的載物臺培養器還存在一些問題：高倍鏡工作距離難以縮短以及不便于集成應用模塊、溫度的均勻度不夠、氣體的消耗量偏多，多氣體濃度保持的穩定性、遠程數據共享及隱私保護等方面有所欠缺等。”

科研就是要面對難點，不斷攻克。“載物臺培養器存在的問題，就是我們要攻克的難點。我們通過技術革新手段，對現有行業產品的功能體系進行升級再造。這樣，不僅對我們自己實驗室研究工作起到了支撐作用，還通過逐漸優化，在現有行業市場中形成了獨特技術優勢，從而開展產業化工作。”朱曉璐說。

朱曉璐帶領學生團隊進行了相關面向產業的原位細胞觀測與分析儀器的技術開發，研制出了一套精密設計的包括載物臺培養器、程控熒光光閘、各類外部激勵模式（3D基質新材料、力學、生物學、電磁學等激勵）的可無人值守的自動化儀器系統。該儀器在細胞培養與原位觀測分析的過程中為細胞生長提供了可人工設定且可穩定維持的微環境，為細胞體外培養生長和組織器官再生過程提供實時動態、精細的原位觀測與控制的解決方案，其為生命科學、醫學、工程學和藥學交叉領域的科研和產業進步提供了一套有力的儀器工具。

“本儀器及系統的相關技術已經申請相關專利12項（已經授權6項）。能夠與各類常規細胞培養、3D／4D細胞培養、生物材料界面的細胞響應、以及小型模式動物的研究結合；在各應用領域具有普適性和更多靈活性。主要應用場所包括醫藥企業或生物研發中心、高校和科研院所、醫院中心實驗室以及交叉科學研究實驗室等。”談到儀器系統的應用場景，朱曉璐表示其有著許多不同行業領域的市場需求。

“‘微型化活細胞工作站’是我們對升級版儀器系統的另一稱謂。它的功能很好地體現了在與活細胞實時動態監測相關的各技術領域的實用價值。”朱曉璐信心滿滿地說：“儀器可在體外構建精準、長期穩定的細胞生存／測試環境，對活細胞進行原位的顯微追蹤成像，在明場或者熒光下實時監測活細胞的粘附、增殖、遷移等，同時進行細胞圖像分析，由此探索細胞在所設定微環境或外部刺激下的各類行為規律。”

朱曉璐團隊所研發的微型化活細胞工作站可廣泛應用于目前主流生物顯微鏡系統、體式顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡或與其他儀器結合使用，適用領域寬廣。

一切過往，皆為序章。隨著微納生物制造技術的不斷創新和發展，朱曉璐和他的團隊定會給我們帶來更多的科技新發現。（文／張霞）

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